Fysikere afgør debat om, hvordan eksotiske kvantepartikler dannes

Ny forskning udført af fysikere ved University of Chicago afgør en langvarig uenighed om dannelsen af ​​eksotiske kvantepartikler kendt som Efimov-molekyler.

Fundene, udgivet sidste måned i Naturfysik , behandle forskelle mellem, hvordan teoretikere siger, at Efimov -molekyler skal dannes, og den måde, forskere siger, at de gjorde i eksperimenter. Undersøgelsen fandt ud af, at det enkle billede, forskere formulerede baseret på næsten 10 års eksperimenter, havde det forkert - et resultat, der har konsekvenser for at forstå, hvordan de første komplekse molekyler dannede sig i det tidlige univers, og hvordan komplekse materialer blev til.

Efimov -molekyler er kvanteobjekter dannet af tre partikler, der binder sammen, når to partikler ikke er i stand til det. De samme tre partikler kan lave molekyler i et uendeligt antal størrelser, afhængigt af styrken af ​​interaktionerne mellem dem.

Eksperimenter havde vist, at størrelsen af ​​et Efimov -molekyle var nogenlunde proportional med størrelsen af ​​de atomer, der udgør det - en egenskab fysikere kalder universalitet.

"Denne hypotese er blevet kontrolleret og genkontrolleret flere gange i de sidste 10 år, og næsten alle eksperimenter antydede, at dette virkelig er tilfældet, "sagde Cheng Chin, en professor i fysik ved UChicago, der leder laboratoriet, hvor de nye fund blev foretaget. "Men nogle teoretikere siger, at den virkelige verden er mere kompliceret end denne enkle formel. Der burde være nogle andre faktorer, der vil bryde denne universalitet."

De nye fund kommer et sted ned mellem de tidligere eksperimentelle fund og teoretikeres forudsigelser. De modsiger begge og gør op med ideen om universalitet.

”Jeg må sige, at jeg er overrasket, "Sagde Chin." Dette var et eksperiment, hvor jeg ikke forudså resultatet, før vi fik dataene. "

Dataene stammer fra ekstremt følsomme eksperimenter udført med cæsium og lithiumatomer ved hjælp af teknikker udviklet af Jacob Johansen, tidligere kandidatstuderende i Chins laboratorium, som nu er postdoc ved Northwestern University. Krutik Patel, en kandidatstuderende ved UChicago, og Brian DeSalvo, en postdoktorforsker ved UChicago, også bidraget til arbejdet.

"Vi ville gerne kunne sige en gang for alle, at hvis vi ikke så nogen afhængighed af disse andre ejendomme, så er der virkelig noget alvorligt galt med teorien, "Sagde Johansen." Hvis vi så afhængighed, så ser vi nedbrydningen af ​​denne universalitet. Det føles altid godt, som videnskabsmand, at løse den slags spørgsmål."

Udvikling af nye teknikker

Efimov-molekyler holdes sammen af ​​kvantekræfter snarere end af de kemiske bindinger, der binder sammen kendte molekyler såsom H2O. Atomer er så svagt forbundet, at molekylerne ikke kan eksistere under normale forhold. Varme i et rum, der giver nok energi til at knuse deres bindinger.

Efimov -molekylforsøgene blev udført ved ekstremt lave temperaturer - 50 milliarder af en grad over det absolutte nul - og under påvirkning af et stærkt magnetfelt, som bruges til at kontrollere atomernes interaktion. Når feltstyrken er i en bestemt, snævert område, interaktionen mellem atomer intensiveres og molekyler dannes. Ved at analysere de præcise betingelser, hvorunder dannelse opstår, forskere kan udlede molekylernes størrelse.

Men at kontrollere magnetfeltet præcist nok til at foretage de målinger, Johansen søgte, er ekstremt vanskelig. Selv varme genereret af den elektriske strøm brugt til at skabe feltet var nok til at ændre det felt, gør det svært at reproducere i eksperimenter. Feltet kunne svinge på et niveau på kun en del i en million - tusind gange svagere end Jordens magnetfelt - og Johansen måtte stabilisere det og overvåge, hvordan det ændrede sig over tid.

Nøglen var en teknik, han udviklede til at undersøge feltet ved hjælp af mikrobølgeelektronik og selve atomerne.

"Jeg overvejer, hvad Jacob gjorde en tour de force, "Chin sagde." Han kan styre feltet med så høj nøjagtighed og udføre meget præcise målinger på størrelsen af ​​disse Efimov -molekyler, og for første gang bekræfter dataene virkelig, at der er en betydelig afvigelse af universaliteten. "

De nye resultater har vigtige implikationer for forståelsen af ​​udviklingen af ​​kompleksitet i materialer. Normale materialer har forskellige egenskaber, som ikke kunne være opstået, hvis deres adfærd på kvanteniveau var identisk. Efimov-systemet med tre organer sætter forskere lige på det punkt, hvor universel adfærd forsvinder.

"Ethvert kvantesystem fremstillet med tre eller flere partikler er et meget, meget vanskeligt problem, "Sagde Chin." Først for nylig har vi virkelig evnen til at teste teorien og forstå arten af ​​sådanne molekyler. Vi gør fremskridt mod at forstå disse små kvanteklynger. Dette vil være en byggesten til at forstå mere komplekst materiale."